用于薄层阵列感应测井系统的电子设备

申请号 CN201380043944.0 申请日 2013-07-08 公开(公告)号 CN104583808A 公开(公告)日 2015-04-29
申请人 匹克科技有限公司; 发明人 杰拉尔德·P·迈尔斯; 恺撒·A·萨莉亚; 亚里奥·A·梅纳; 摩斯塔法·M·艾博艾比;
摘要 公开了一种 测井 仪器 电子 系统(图1),其具有噪声最小化的特征和 脉 冲压 缩 信号 处理技术以提高阵列感应测井仪器的 信噪比 。钻孔通过由驱动全差分单发射线圈的可配置多 频率 正弦波 信号激励部生成的 磁场 辐射 。从多个相互平衡的全差分接收器阵列接收到的信号通过在 固件 控制下使用自适应 算法 的接收器信号链处理。所接收到的信号用于确定钻孔周围 地层 的电导率和 电阻 率 。
权利要求

1.用于测量钻孔周围岩层电导率的设备,包括:
外壳,适于电子设备在钻孔中的操作;
第一数控电路,用于生成具有所选频率、脉冲宽度、振幅和时间间隔的正弦波和脉冲信号
发射线圈,位于所述外壳上所选择的位置,并被连接成接收和发送来自所述第一数控电路的信号;
多个接收线圈,位于所述外壳上所选择的位置,每个接收线圈都连接到第二数控电路,所述第二数控电路用于放大和过滤来自所述接收线圈的信号;
相敏探测器和低通滤波器,用于从所述第二数控电路和第一数控电路接收信号,并生成同相信号和正交异相信号作为模拟信号
模数转换器,用于处理所述模拟信号并生成用于传输的数字信号;以及
可编程控制器,具有计算机可读媒介,所述计算机可读媒介被编程以控制所述外壳中的电子设备。
2.如权利要求1所述的设备,进一步包括:
设置在所述第一电路中的电流传感器,用于感应流向所述发射线圈的电流,并向电子电路发送信号,所述电子电路包括用于从所述电流传感器接收信号并提供内部参考信号的相敏探测器和低通滤波器
3.如权利要求1所述的设备,其中用于生成正弦波和脉冲信号的电子电路的相精确度被设计为在钻孔温度范围内保持稳定。
4.如权利要求1所述的设备,其中所述接收线圈由用于采集数据、驱动仪器及与遥测系统通讯的实时处理器并行地访问、校准和同步。
5.如权利要求1所述的设备,其中在所选循环时间内执行权利要求4中的步骤。
6.如权利要求1所述的设备,进一步包括:
计算机可读媒介,编程有自适应算法以在固件控制下控制激励分量和测量分量,从而根据所述自适应算法的决定优化系统的操作条件。
7.如权利要求1所述的设备,进一步包括由所述控制器控制的传感器。
8.如权利要求1所述的设备,其中所述相敏探测器基于在用于生成正弦波和脉冲信号的所述第一数控电路中生成的方波参考信号操作。
9.如权利要求1所述的设备,其中所述设备包括五对接收器,每个接收器均具有串联的主线圈和反感应线圈。
10.如权利要求1所述的设备,其中所述正弦波信号在三个频率下被相继生成。
11.如权利要求1所述的设备,进一步包括第二发射线圈,第二发射线圈可设置在分开的仪器中。
12.用于测量钻孔周围岩层电导率的方法,包括:
提供容纳电子设备的外壳,所述电子设备包括多个电子电路,所述外壳适合于在钻井中使用;
操作用于生成具有所选特性的冲压缩信号并传输来自所述外壳上发射线圈的信号的电子电路;
操作通过所述外壳上的多个接收线圈接收信号的电子电路;
操作从生成脉冲压缩信号的产生器接收信号并生成同相信号和正交信号的相敏探测器;
将所述同相信号和正交信号转换为DC,并传输或存储所述同相信号和正交信号;以及通过具有存储在可编程媒介中的软件的控制器控制所述电子电路。
13.如权利要求12所述的方法,进一步包括:
检测从所述电子电路到所述发射线圈的电流作为内部参考信号。
14.如权利要求12所述的方法,其中所述控制器被编程以操作所述电子电路生成正弦波和脉冲,所述正弦波以如下顺序生成:具有第一频率和振幅的正弦波、具有第二频率和振幅的正弦波、以及具有第三频率和振幅的正弦波,所有的正弦波都在脉冲宽度以内,并且进一步发送信号以在所述脉冲之间使所述电路接地。
15.如权利要求12所述的方法,进一步包括:对所述同相信号和所述正交信号应用自适应算法,以优化系统的操作条件。

说明书全文

用于薄层阵列感应测井系统的电子设备

技术领域

[0001] 本发明涉及到对油井、气井和矿井进行测井(logging)的领域。更具体地,公开了关于多频阵列感应测井的实时信号处理和冲压缩的改进。

背景技术

[0002] 感应测井仪器是用于钻孔中测井操作的仪器,其被钻入到地下岩层中以探索石油、气体或矿物。这些仪器测量岩层电导率以判断在潜在产油层中期望的矿物的存在和数量。石油和天然气导致岩石具有低于平常的电导率,这是因为这些流体是不导电的并且它们取代了原生咸。感应测井仪器理想地提供产油层中石油和气体的部分饱和度的精确定量测量。
[0003] 感应测井仪器使用传感器阵列,其中传感器阵列映射出距离钻孔不同径向距离的岩石的电导率,从而可以减小钻孔液体入侵的影响。这些仪器基于诱发涡电流的原理操作,涡电流大体上正比于电导率,并且涡电流可以利用敏感线圈激发和探测。本领域所熟知的仪器使用线圈阵列,其中线圈阵列可以感应离钻孔不同径向距离处的电导率。
[0004] 美国专利No.5157605公开了一种感应测井的方法和设备,它们用于同时在多个频率操作感应探头。多个双线圈接收器阵列被使用。美国专利NO.5548219公开了一种用于生成多个频率的系统,其中这些频率用于在测井中使用的外差法测量系统。美国专利No.7183771公开了一种设备,包括一种电路,这种电路用于将校准信号注入到接收器以获得没有由系统接收元素引入误差的测量。
[0005] 虽然感应测井仪器技术有很多优点,但是多个电子相关的问题依然有待解决。例如,电子信号保真度问题依然出现在井底测井的噪声环境中,尤其是当高电导率地层出现时。感应测井仪器中进一步的问题由“表皮效应”引起。表皮效应引起所接收到的信号和地层电导率之间比例的损失,从而使得来自感应测井仪器的信号的解译更加复杂。相反,由于低信噪比,电导率非常低的岩石显现出感应测井仪器精确度的问题。这些问题在感兴趣的薄层地层或岩层相对薄的时候变得更具挑战性。
[0006] 为了解决这些已经表现出缺点的问题,包括高成本/收益比。所需要的是成本效益好的、稳健的电子子系统,其具有以噪声最小化/噪声消除为中心的设计,其中噪声最小化/噪声消除使得数据信号保真度提高和测井结果更加精确。

发明内容

[0007] 脉冲压缩信号处理技术和快速高分辨率多次测量被用于改善信噪比,其中改善信噪比是通过调制用于驱动发射器的波形和关联所接收信号和所发射信号来实现的。对于辐射源,公开了用于为被平行调谐到具有所选振幅和重复率的期望频率的差分驱动单发射线圈提供能量的、数字的、高度相稳定的、低失真的正弦波产生器/功率放大器。发射线圈诱发电流流入钻孔周围的地层。
[0008] 为了测量来自地层的感应电流,距发射器不同距离的多个相互平衡的全差分接收线圈利用前置放大器/放大器部被耦合到宽带、低噪声接收器-放大器信号链上,其后跟随有包含选择性带通滤波器/相敏探测器部的信号处理,以及由高速微控制器控制的高采样率24位ADC转换器。所有接收器由采集数据、驱动仪器以及与遥测系统通讯的实时处理器并行地访问、校准和同步。附图说明
[0009] 图1示出了井底电子部分的通用系统架构框图
[0010] 图2示出了典型的多频率脉冲宽度和脉冲重复周期。
[0011] 图3说明了电流、磁场电压的相差。
[0012] 图4示出了具有可选特征的系统架构。
[0013] 图5示出了系统控制固件流程图

具体实施方式

[0014] 在此公开的测井仪器电子设备用于由五个接收器和一个发射线圈组成的阵列感应仪器,但是同样可以用于具有不同数量接收器/发射线圈的不同的拓扑结构。接收器优选地被成对使用,以一个线圈“反感应(bucking)”另一个线圈(线圈绕相反的方向缠绕)的形式。地层被由如图1所示的高度可配置的数字波形产生器/发射器驱动器/功率放大器部(发射器信号激励部)所生成的磁场辐射,并伴随有如图2所示的脉冲压缩信号。波形产生器10和放大器11优选地为数控的、高度相稳定的、低失真的正弦波产生器和功率放大器。它们在单频或者用于多频操作的扫频模式(线性调频)下为平行调谐的差分驱动发射线圈13提供能量。产生器10的相精确度和主时钟10a的温度稳定性被设计为可在钻孔的温度范围内保持稳定。装置在每个频率生成具有振幅(A)的稳态正弦脉冲。每个频率的振幅(A)可以被单独控制。载波频率(例如16KHz,24KHz和32KHz)被脉冲宽度或者脉冲压缩的磁场截短。发射器电流被线圈14感应到并通过电阻14a两端的电压读出,这个发射器电流起内部参考的作用。
[0015] 如图2所示,脉冲宽度可以是50毫秒。所包络的三个频率的正弦脉冲(脉冲压缩)实现不同的探测深度。在地层中产生的涡电流利用距发射线圈不同距离的接收线圈16探测。如20和21所示,包括接收线圈16、放大器17、带通滤波器18和放大器19的、可高度配置的接收器信号链处理同相分量(和发射器电流零相差)和正交分量(和发射器电流相差为90度)。如在22所示,信号随后被数字化,优选地使用24位模数转换技术(信号测量部)。所探测到的地层中的涡电流表示地层电阻。在固件控制下利用自适应算法,控制可重构的激励分量和测量分量。自适应算法可以被存储在计算机可读的媒介中,其中计算机可读的媒介位于测井仪器外壳内的井底硬件中或地表硬件中。在此公开的井底系统非常适合自适应算法的使用以根据由算法所决定的系统最佳操作条件来设置激励分量和测量分量。用于优化的自适应算法是众所周知的。在主控制24的控制下,频率选择、接地控制以及测井配置在23中实现。来自遥测端的数据总线被连接至主控制24的输入然后来自主控制的信号被放至连接至接收器的内部数据总线上。
[0016] 图3说明了信号和响应的相,其中:
[0017] BT=发射器磁场
[0018] IT=发射器电流
[0019] IL=地层电流“地环路”
[0020] BL=地层电流“地环路”磁场
[0021] R=地层电导率引起的同相接收器DAQ(Digital Acquisition数字采集)电压分量,以及
[0022] X=地层表皮效应引起的正交相接收器电压分量。
[0023] 由于与发射器生成的磁场耦合,地层“地环路”电流在感应仪器周围流动。利用地层地环路电流,地层电导率被探测到,其中地层环路电流生成二级磁场,二级磁场将信号耦合进接收器阵列,此信号是地层电导率的指标(或者反过来,也是电阻率的指标)。发射线圈中的电流建立起由发射器生成的初级磁场(参考磁场)。
[0024] 用于高性能自动屏蔽感应仪器的接收线圈中所感应到的X信号相对于R信号的比值在导电地层和钻孔中可以是大约10:1,所以数字化的R信号(同相)地层数据是低电导率地层中感兴趣的信号,而正交的X信号被用于高电导率环境中的校准、表皮效应修正以及特殊的处理算法。
[0025] 发射器信号激励部生成磁场,驱动发射线圈13中所控制的脉冲电流。发射器和所选电容器组成调谐箱12,其根据以下方程运行:
[0026] f=1/2π√LC
[0027] 其中f为操作频率,L为发射器电感,以及C为由固件控制的可变电容器的电容。本电子设备中,频率和电容器的转换优选地为每10ms一次,操作的脉冲频率通过固件在1KHz到32KHz之间是可调的。
[0028] 图1所示的接收线圈测量信号链DAQ系统(16、17、18、19、20和21)利用基于激励部自动生成的方波参考信号操作的相敏探测器来测量自动诱发信号和视在电导率。DAQ重新配置每个频率的带通滤波器,将接收器前端接地并且周期性测量接地和参考通道以校正井底,如下面将要解释的。
[0029] 所有来自五个接收器的R信号和X信号以及校准信号被实时并行地采集并且可以被用于逐点关联和计算井口(在地表的)的真正的电导率。主处理器24利用广泛应用的工业网络总线驱动仪器操作以及数据采集,在下面将被讨论。
[0030] 仪器被设计为在工业网络总线上操作、传输数据速率可达到1M比特及支持32个节点。这样的结构提供了管理具有多发射器和多接收器的不同种类的感应仪器,以及频率可调或者具有扫频功能的灵活性。在此讨论的设计中,仪器包括五个接收器(五对接收器,主接收线圈(+)和反感应线圈(-)每隔一定间隔串联连接)、一个具有三个操作频率的发射器。这样的仪器同样支持多种类型的传感器和执行器的连接,只需要地址和固件被主处理器访问。每个连接到数据总线的模块(多路复用器(MUX)、接收器(RECEIVWER)、控制器(CONTROL)以及发射器(TRANSMITTER))都具有可重构、自动校准、以及自动测试的特征,这些特征用于可调节和可适应的电子设备,其中可调节和可适应的电子设备用于多种类型的仪器、拓扑结构和配置。
[0031] 这种多核架构被开发以最小化系统的稳定性问题,允许每个模块足够自主以提高信号测量动态范围(对于低电导率地层通过过采样采集点来减少噪音并得到更好的数据)以及利用采样频率计算能耗,这对于使用低电源电压组件的新仪器的设计尤其重要。自适应(可重构的)系统上的最新发展和更高采样率ADC的使用被结合起来以提供这种稳健的高速架构,这种架构在之前的系统中是没有的。
[0032] 这些特征使得电子设备可以避免激励部中高和长的瞬态,允许多频率的扫频(当保持与以前系统一样的探测深度时)以及可以使用多个接收器。更快的采样允许系统在薄层高清晰度测井中具有更好的分辨率。
[0033] 通常地,由于多种多样的模拟电路要求在可配置性上带来困难,阵列感应仪器测量系统的性能是有限的。可配置用于任意模拟功能的高度可编程的模拟系统是十分有价值的。这包括仪器的扫频能、转换发射器处的电容、选择接收器操作频率、重新配置电阻器以调整增益、以及根据操作频率和来自地层电阻率的数据改变ADC的分辨率。高度可编程的模拟系统可以被用作软件限定的测量系统的模拟核心,并且对于快速原型仪器应用同样是有价值的。由于地下感应仪器通常具有各种用于遥测的串行总线协议,具有易于接入到各种协议的灵活性的可靠的系统为整个系统增了额外的价值。
[0034] 再次参考图1,产生器10生成正弦波信号和方波信号。产生器10同样用于给PSD(相敏探测器)20的操作提供参考信号,包括同相的和正交的。平行调谐组电容器12,允许软件所需要的硬件的重新配置以在不同频率上运行,以所选的振幅和重复率输出期望频率以给差分驱动的信号发射线圈13提供能量。智能边缘率控制技术被集成到发射器驱动器设计中以最小化寄生电容和电阻的影响、管理EMI生成、最小化失真、以及依然保持高效和最佳的信噪比(SNR)。这导致了一种对噪声不敏感的电子拓扑。为了监控电流的稳定性,电压通过内部参考15被应用以应对电子随温度的飘移。
[0035] 来自地层的信号被相互平衡的、全差分的传感器接收线圈系统16感应到然后被极低噪声前置放大器放大,前置放大器被耦合到可选择截止频率带通滤波器18,带通滤波器18与操作频率同步。信号随后被放大器19再次放大并且被传至相敏探测器20以利用来自产生器10的方波参考信号定到感兴趣的频率。PSD 20将自动感应信号X从感应自地层R的信号中分离出来。然后,在PSD输出处的低通滤波器21生成信号X和R的DC电压。具有平行通道的高采样率24位ADC 22随后将信号转换成数字数据。ADC 22被高速微控制器23所控制并且通过高速通讯数据总线25发送数据到主控制24。
[0036] 参考图4,在此公开的薄层感应(TBI)仪器优选地由N对接收器101-105(当有五对接收器时)和一个用于内部校准目的的额外的通道(来自线圈15,图1)(用于感应发射器电流和探测电子飘移)组成。可以加入其他接收器106。如上所述,所有接收器传感器被成对放置。(为了清晰,只有一个线圈在图中被示出)。仪器可以并行执行多个ADC转换,这独立于接收线圈或传感器的数量。通过管理一个采样循环中的两个到N个发射器的信号,仪器得以驱动。如果多于一个发射器被使用,则可设置在分开的仪器中。这一特征使得在此公开的测井仪器具有可以在短的时间内处理密集复杂信息的灵活的架构。这一能力提高了薄层测井中的精确性、分辨率和数据相关性。
[0037] 所测量到的信号通过数据总线25被发送到主控制24(图4)。主控制24驱动测井仪器,保存来自接收器102-105的数据,同步板和接收器之间的信息,通过通讯模块109从井口接收命令并发送数据到通讯模块109。
[0038] 系统中可以包括附加的传感器106和执行器107。例如,传感器可以是泥浆传感器或加速度计。例如,执行器可以操作电机。系统可以包括USB编程测试模块108和额外的存储器插槽110。系统是可重构的和足够灵活的以驱动多个接收器、多个发射器和多个频率感应系统。系统灵活的架构可以使用多个通讯协议和内部总线,例如I2C、RS485、CAN、USB和TCP/IP。
[0039] 所公开的系统可以通过I2C数据总线被遥测系统驱动和访问,诸如公开在2011年10月6日提交的美国专利申请S.N.13/267,313中的遥测系统,或通过其它商业遥测系统。对于地表测井单元中的井口使用的所有解译和计算算法,系统优选地在测井模式下每隔50ms和在校准模式下每隔500ms发送命令和接收来自所有接收器的原始数据。
[0040] 图5示出了主流程图和用于在测井仪器操作中被使用的信号的发射器流程图。一系列的命令开始于50,用于发送继承自发射器的不同频率—例如,每个频率保持10ms,然后从接收器接收数据。这些值可以通过软件改变。例如,命令是:发送频率F1并保持10ms,然后发送频率F2并保持10ms,然后发送频率F3并保持10ms,然后将电路接地并保持10ms,然后在10ms内发送所获得的数据到主控制器,随后开始新的循环。从而,循环时间是50ms。来自发射器的电流(内部参考)每500ms或每10个循环被读取一次。来自接收器的数据和内部参考信号(来自发射器的电流)在51处被接收并存储在RAM 52中。所存储的数据被发送到井口以响应来自主控制器的命令。计时器被设置以响应来自53的主控制器的命令。在54,序列开始以通过设置调谐的电容来设置操作频率,生成用于发射器的PWM(脉宽调制),生成方波并读取ADC(模数转换器)以测量来自电源的电流消耗。
[0041] 虽然本发明已经结合具体细节被描述,但是并不表示这些细节可以被认为是对发明范围的限定,除非内容被包括在所附权利要求中。
QQ群二维码
意见反馈